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新型臭氧發(fā)生器的研制及應用

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新型臭氧發(fā)生器的研制及應用

摘要:高壓脈沖沿面放電法是一種高效的臭氧產(chǎn)生方法。根據沿面放電產(chǎn)生臭氧的物理和化學(xué)機理,研制了大功率臭氧發(fā)生裝置,并進(jìn)行了醫院污水的處理實(shí)驗,結果表明,新型臭氧水處理裝置具有能耗較低、單機臭氧產(chǎn)量大、體積小等優(yōu)點(diǎn),能有效降低水中CODcr、BOD5的含量。

    關(guān)鍵字: 臭氧發(fā)生器 沿面放電 CODcr BOD5

  1 前言

  新型臭氧水處理裝置利用沿面放電臭氧產(chǎn)生技術(shù),將臭氧發(fā)生器由以往的點(diǎn)線(xiàn)放電產(chǎn)生臭氧改變成為沿介質(zhì)表面放電,使得通過(guò)電介質(zhì)表面降溫冷卻成為簡(jiǎn)單可行,降低或消除了由于臭氧發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高溫,避免了臭氧再分解,從而提高了臭氧的產(chǎn)生量,降低了能耗。在放電電源方面,采用了具有高效率、小型化的靜止變頻電源,使臭氧發(fā)生器小型化,強化了電暈放電。

  2 高壓高頻電源制作

  選用大功率晶體管IGBT作為DC-AC半橋變換器的開(kāi)關(guān)器件。用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低反向恢復特征的要求,采用20kHz的脈沖高頻變壓器以降低因損耗而產(chǎn)生的熱效應,提高器件的穩定性和臭氧的產(chǎn)生效率。同時(shí)利用脈寬調制技術(shù)(PWM)調節脈寬以改變輸出基波電壓的幅值。經(jīng)過(guò)整流、濾波、逆變、升壓,能產(chǎn)生前沿小于60ns,脈沖半寬約為250ns,重復頻率0~20kHz可調,電壓0~10kV可調的高壓脈沖電源。電路流程見(jiàn)圖1。

  3 沿面放電電極制作

  本實(shí)驗裝置采用陶瓷作為臭氧發(fā)生器電極的絕緣材料,采用管式放電電極,結構見(jiàn)圖2。

圖1 高壓脈沖電源流程

圖1 高壓脈沖電源流程

圖2沿面放電電極斷面結構

圖2沿面放電電極斷面結構在金屬管外壁涂覆1層陶瓷(厚0.5mm),陶瓷表面鑲上多條平行的細線(xiàn)狀電極(總長(cháng)10.5m,厚50~60µm),管內壁再涂覆1層陶瓷作為接地電極,以增加其機械強度。放電管內徑32mm,管中通入冷卻水,以降低臭氧發(fā)生時(shí)放電空間的溫度,避免臭氧的分解,提高臭氧的產(chǎn)生效率。

  4 實(shí)驗方法

  臭氧水處理流程見(jiàn)圖3。

  干燥后的空氣進(jìn)入放電室,在納秒級脈沖高壓的作用下分解,形成臭氧氣體。產(chǎn)生的臭氧氣體通過(guò)由渦流混合器與填料塔組成的高效混合裝置,混合器可產(chǎn)生較強的負壓將高濃度的臭氧氣體完全吸入,使水在混合器內充分霧化,成為非常微細的激化小顆粒,增加了臭氧在水中的溶解和附著(zhù)面積,大大提高臭氧水濃度、產(chǎn)量,混合效率增加20%左右;旌虾蟮臍堄喑粞鯕怏w通過(guò)尾氣吸收器變成氧氣排出。

1?無(wú)油空壓機;2?干燥器;3?高壓脈沖電源;4?示波器;5?流量計;6?放電室;7?流量計;

    1—無(wú)油空壓機;2—干燥器;3—高壓脈沖電源;4—示波器;5—流量計;6—放電室;7—流量計;

  8—原水池;9—臭氧檢測儀;10—混合裝置;11—儲水罐

圖3 水處理實(shí)驗流程

    5 結果和討論

    5.1 峰值電壓的影響

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圖4 臭氧產(chǎn)量與峰值電壓的關(guān)系

  從圖4可以看出,峰值電壓為4kV~9kV,臭氧的產(chǎn)生量與放電電壓成線(xiàn)性增加關(guān)系。當峰值電壓超過(guò)9kV左右,這種增加趨勢才逐漸減緩。這是由于當臭氧濃度增大,由電子碰撞作用引發(fā)的臭氧分解也明顯,高濃度領(lǐng)域內的臭氧產(chǎn)生效率急劇下降。因此要求有良好的冷卻裝置,而且放電的電場(chǎng)強度應該有一最優(yōu)的值,在這一值下,使臭氧再分解的低能電子的生成受到抑減,臭氧產(chǎn)生率達到最大。
5.2 放電頻率的影響

  控制反應氣體流速為1.5L/min,調節放電頻率,考察臭氧的生成情況,結果見(jiàn)圖5。

圖5不同頻率下電壓與臭氧產(chǎn)量關(guān)系

圖5不同頻率下電壓與臭氧產(chǎn)量關(guān)系

  由圖5可知,在頻率較低時(shí),隨放電電壓的升高,3條曲線(xiàn)有著(zhù)相同的上升趨勢,臭氧的產(chǎn)量直線(xiàn)增加; 高頻情況下,產(chǎn)量的上升率以及所達到的最大值均要高于低頻情況。當頻率為15kHz、電壓為7kV時(shí),臭氧產(chǎn)生量達到了最大值。

  實(shí)驗表明,當臭氧發(fā)生器的出口溫度超過(guò)一定的溫度(50~52℃)時(shí),臭氧的產(chǎn)量開(kāi)始下降,臭氧的分解會(huì )變得比較顯著(zhù)。

  5.3 CODcr、BOD5的去除

  將本裝置用于醫院污水的處理。由于醫院污水中含有雜質(zhì),因此在處理前先進(jìn)行預處理。操作條件見(jiàn)表1。

表1 處理前后參數對照

參 數 數 值

  臭氧(進(jìn)口)濃度(mg/L) 4.5~9.7

  臭氧(出口)濃度(mg/L) 0~3.1

  接觸時(shí)間(min) 0~40

  溫度(℃) 20~25

  pH值 3~11

  氣流量(L/min) 1.5~2.5

  放電頻率(kHz) 17

  放電電壓(kV) 7

    本系統通過(guò)增加放電強度以及采用高效混合系統,臭氧水濃度可達8.35g/m3,考慮到運行成本,將臭氧水濃度穩定在5.3g/m3。

  在通入濃度為6.5mg/L臭氧氣體,流量為2.0L/min的情況下,對廢水中的CODcr、BOD5進(jìn)行檢測。結果見(jiàn)圖6~7。

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圖6 水中CODcr的變化曲線(xiàn)

圖7 水中BOD5的變化曲線(xiàn)

圖7 水中BOD5的變化曲線(xiàn)

  由圖6可以看出,水氣接觸30min后,醫院污水CODcr值由2980mg/L降到850mg/L,去除率達到71.47%。在15℃情況下,前10min內水中CODcr的含量下降很快,去除率達到了42.2%。然后CODcr去除效果緩慢下降。這時(shí)即使加大臭氧的濃度,效果也不明顯。溫度為25℃下CODcr的去除效果較為緩慢,主要是因為溫度的升高加速了水中臭氧的分解,降低了臭氧總的氧化能力。

  圖7可以看出,臭氧對水中BOD5去除效果弱于CODcr去除效果。在前20minBOD5值有一緩慢的下降過(guò)程,隨后有所增加,在20min氧化時(shí)間內,BOD5去除率為45%。
同時(shí)實(shí)驗發(fā)現,臭氧氧化作用與溶液pH值密切相關(guān)。在酸性條件下,臭氧氧分子直接參加氧化反應,臭氧分子與發(fā)色基團的>C=C<鍵反應。在堿性條件下,臭氧與水作用生成的·OH自由基破壞芳香族化合物的苯環(huán)。因此用臭氧處理醫院污水,在酸性條件下顏色的去除率比堿性條件下要高50%。

  6 結論

  6.1 本臭氧產(chǎn)生裝置由于采用高頻脈沖放電電源,降低了發(fā)生器的工作電壓,提高了裝置的可靠性和耐久性。在此條件下沿面放電臭氧發(fā)生法的3個(gè)參數:產(chǎn)量、濃度、能量得率可以分別達到較高的值。

  6.2 應用臭氧處理污水中的CODcr、BOD5、色度等均可達到較高的去除率,處理后的污水達到國家排放標準。

  作者陳剛,男,1972年生,1995年畢業(yè)于華東船舶工業(yè)學(xué)院電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè),現江蘇大學(xué)環(huán)境工程碩士研究生。

發(fā)布人:2009/10/23 10:31:001525 發(fā)布時(shí)間:2009/10/23 10:31:00 此新聞已被瀏覽:1525次